反井工艺专利技术研究_许杰.pdf

-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期专利分析随着我国矿业开发、水利建设、隧道开掘等地下建设工程的飞速发展，这些工程所涉及的进出口联络通道、风井水井、提升运输井等竖井或斜井的重要性日益明显。竖井的施工效率和施工成本对整个地下工程的施工状况有着巨大影响。竖井的施工方式大体上可分为正向开挖（从上至下开挖）和反向开挖（从下至上开挖）两种方式，相比于正向开挖，反向开挖具有出渣效率高、最大限度地利用现有巷道工程、机械化程度高、经济效益明显等优点，因此，国内外针对反井技术施工装备和施工方法的研究从未停止。尽管相关的新装备、新方法不断地推陈出新，但是反井技术的基本原理始终未曾改变。了解反井技术专利申请的基本情况、掌握反井技术重要专利文献的技术方案，是摸清反井技术发展脉络的基础工作。反井基本工艺反井技术分为反向钻进技术和反向扩井技术，其中，反向钻进技术分为普通法、吊罐法和爬罐法，反向扩井技术分为上扩法和下扩法。普通法的基本工艺为：在待开挖竖井下方内搭建梯子间和工作平台，操作人员位于工作平台上向上钻凿炮孔并装药，爆破前撤走人员和设备，崩落的矿岩经岩石间和漏斗口落入矿车。吊罐法的基本工艺为：在上部巷道和下部巷道之间施工钻孔，游动绞车的提升钢丝绳通过钻孔下放到待施工竖井中，下方悬吊凿岩平台，操作人员位于工作平台上向上钻凿炮孔并装药，爆破前撤走人员和设备。爬罐法的基本工艺为：在下部巷道顶部和待施工竖井侧壁上铺设轨道，爬罐沿轨道运行，可上升至工作位置，操作人员在工作位置向上钻凿炮孔并装药，爆破前撤走人员和设备。上扩法的基本工艺为：把钻机安装在反井的底部，先向下钻导孔与下部水平相通，再自下向上扩钻到所需的孔径。下扩法的基本工艺为：把钻机安装在反井的上部，先向上钻导孔与上部水平相通，而后再自上向下钻扩到所需直径。数据统计和分析申请地域分布专利申请的地域分布可以反映行业技术及其产品市场的重心所在，因此对竖井反向开挖技术专利申请的所在国家和行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度反井工艺专利技术研究许 杰 陈建君许 杰 陈建君国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心许杰（1987），硕士，知识产权师，发明专利审查员，研究方向为矿业开采隧道钻进领域发明专利审查。陈建君（等同第一作者），（1990），硕士，知识产权师，发明专利审查员，研究方向为矿业开采隧道钻进领域发明专利审查。中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-26-专利分析地区组织分布情况进行统计。专利申请量地域排名靠前的包括：俄罗斯占比 53%、中国 14%、美国 7%、日本 7%，占据了所有专利申请量的 80%以上，说明这些地域是竖井反向开挖技术最主要的技术和市场所在，参见图 1。技术分支分布按照表 1 中的二级技术分支对检索得到的专利文献样本进行分类，可以得到竖井反向开挖技术领域相关专利的技术方案类型分布情况。如图 2 所示，传统的反井施工方式包括普通法、爬罐法和吊罐法，它们共同的缺点是工作人员必须进入工作面进行打眼放炮作业，受有害气体、塌方、落石、淋水的威胁，安全很难保证，伤亡事故经常发生。其中，吊罐法因安全性最差而逐渐被淘汰，爬罐法逐渐发展为在轨道上运载无人钻机进行凿岩的施工形式，而普通法中，类TBM 的顶推式竖井掘进机因安全性好、机械化自动化程度高等优点而取得长足发展。反井钻机扩孔法开挖具有出渣效率高、最大限度地利用现有巷道工程、机械化程度高、经济效益明显等优点，具体分为上扩法和下扩法，相比于下扩法，上扩法的机械设备和施工方案更加成熟，出渣效率也更高，因此，上扩法所占比例更大。分类号分布为了了解反井领域整体专利技术的分布情况，本文采用 IPC 作为分类标准进行分析，借此对该领域各公司和科研院所技术研发的重心点和研发热点进行挖掘。通过对检索获得的专利文献样本进行归纳统计，得到了频次排名前五的 IPC 分类号，分别为 E21D、E21B、E21C、E21F 及其F42D，可见，与竖井反向开挖技术相关的专利技术主要集中在竖井、隧道、平硐、地下室建设及钻进技术、采矿和爆破工程领域，参见图 3。核心专利技术分析核心专利通常被视作某一技术领域的基础，对其进行研究分析可以了解和发现相关行业的研究动向和热点，而且还可以为企业和科研院所今后的发展方向提供相应的参考和建议。核心专利判断一般而言，判断一篇专利文献是否为核心专利，通常可将该专利的被引证次数作为判断标准。引证专利是指由申请人在说明书中写明的，或者由审查员在审查过程中确认的与该篇专利文献技术内容相关的其他专利文献，通常情况下，专利越重要，被引证的次数就越多。同时，一篇专利文献的同族成员数量也是判断该专利是否为核心专利的重要判断标准。同族专利的数量是衡量专利经济价值的重要指标，它可以反映出某项发明潜在的技术市场和经济势力范围。对检索所得专利文献样本进行筛选，通过归纳统计，得到被引次数最高专利文献。此外，一些专利文献申请日较早，且公开了某类技术的典型技术方案。后期的诸多专利申请，尽管并未在申请文件的背景技术中提及（也就无法在“被引次数”这个维度上体现这些早期专利申请的重要性），但是其实际上是以这些早期专利申请为基础所进行的改进，这类早期专利文献也可视为核心专利。核心专利技术分析根据前述核心专利判断标准，本文筛选出五篇重要专利文献 US3971449A、DE2657573A1、US4095670A、US3840272A、SE9401472A，分别作为上扩法、下扩法、图 1 申请量地域分布图 2 技术分支分布图 3 主要分类号分布-27-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期专利分析吊罐法、普通法和爬罐法的典型技术方案逐一介绍。上扩法US3971449A 公开了一种用于竖井施工的岩层钻进控制方法及装置，该装置包括钻头 1、滚筒 2、主轴 7、旋转马达 3、给进装置 4、监测钻头钻进速率变化的监测装置 5、控制给进装置 4 的控制装置 8、控制旋转马达 3 的控制装置6，动力的给进用箭头 9 表示，控制信息的流向用箭头 10 表示，钻进控制装置还包括其他用于监控、比较和计算的装置。开挖竖井时，先施工导洞，将主轴 7 安装于导洞中，在导洞下方组装钻头，工作时，主轴 7 在上升的同时旋转，为连接在其下方的钻头 1 提供向上和转动的驱动力，钻头 1 上的滚筒 2 可自由旋转，设置在滚筒 2 上的截齿对岩层进行研磨切削，从而达到破岩的目的。岩屑在重力的作用下下落堆积于下层巷道中，而后出渣。由于设置了对竖向给进力和横向旋转力进行监控、比较和计算的监控单元，破岩过程的动力得到精确控制，提升了破岩效率。可见，本发明提供了一种先施工导向孔、后由下向上扩孔形成竖井的施工方案和装置。下扩法DE2657573A1 公开了一种竖井掘进机，该掘进机包括施工导向孔 10 之后，下放到井内的下层平台 14 和上层平台15，下层平台 14 下方悬挂有摆臂 27，摆臂 27 端部带有旋转刀具 30，摆臂 27 呈弧形摆动形成曲线井底，同时，摆臂27的连接头可沿竖向轴线旋转，因此可进行连续的曲线切割，从而可形成半球形井底。下层平台 14 下方设有连接架 29，连接架 29 底部设有旋转接头 33，摆臂 27 的连接头通过铰链销 28 连接在旋转接头 33 上，摆臂 27 的铰链销 28 与旋转刀具 30 的芯轴 31 平行。连接头可沿连接架 29 内的导向器升降，支撑摆臂 41 将接触盘 16 顶出支撑于井壁上从而支撑起上下平台。施工竖井时，先施工导向孔，后下入掘进机，摆臂 27 呈弧形摆动、绕竖直中线旋转，旋转刀具 30 切削岩层形成半球形井底，岩屑在重力的作用下通过导向孔 10 下落堆积于下层巷道中，而后出渣。可见，本发明提供了一种先施工导向孔、后由上向下扩孔形成竖井的施工方案和装置。吊罐法US4095670A 公开了矿山反向凿井可折叠平台，主要包括中心框架部 25、四个可以从在中心框架 25 横截面上径向展开的主平台 47、48、49、50 以及安装于各个主平台上的次平台。每个主平台以中心框架部25为圆心安装，展开时，四个主平台构成的十字形平面与中心框架 25 垂直，收回时，每个主平台与中心框架 25 靠拢并平行，每个框架均可在展开位置与收回位置之间切换。次平台位于四个主平台之间，次平台安装于与之相邻的主平台边缘上，展开时，次平台与主平台共面，折叠时，次平台与主平台至少呈90度。凿井时，首先施工导井16，整个折叠平台由缆绳16悬吊于导井16中，展开主平台和次平台形成吊盘，工人可在吊盘上进行凿岩装药作业，起爆前，工人撤离，工人可下到下部巷道 14 内或通过中心框架 25 上爬至上部安全区域，收起吊盘，也就是时主平台和次平台折叠靠拢中心框架 25，启动卷扬机 18 使折叠平台避开爆破区域。爆破崩落矿岩在重力的作用下下落堆积于下层巷道 14 中，而后出渣。可见，本发明提供了一种吊罐法的施工竖井的方案和装置。普通法US3840272A 公开了一种上向成井开挖装置，主要包括钻头 26 和推进柱 88。在巷道内需要施工竖井的地点安装该装置，钻头 26 上的刀具 30 切削岩层，推进柱 88 提供推进动力向上掘进，岩屑通过颈部 160 入口进入上部收集装置158，并通过滑道 156 落入矿车，矿车沿轨道 180 行走，完成出渣。可见，本发明提供了一种普通法的施工竖井的方案和装置。爬罐法SE9401472A公开了一种向上驱动钻爆施工采矿装置，在巷道顶部和竖井一侧铺设轨道 4，工作单元 10 可沿轨道向上移动至施工位置，工人可在平台 40 上实施向上凿岩钻孔，或者，采用工作单元 8，工作单元 8 可沿轨道向上移动至施工位置，由工作单元8携带的无人钻机67实施向上凿岩钻孔。爆破崩落矿岩在重力的作用下下落堆积，而后出渣。可见，本发明提供了一种爬罐法的施工竖井的方案和装置。结语本文对竖井反向开挖技术领域专利技术进行了分析和统计，甄选出了反井工艺核心专利文献并对其技术方案进行了梳理，有助于读者熟悉和把握该领域专利技术分布情况、所处阶段、重要申请人的技术发展状态等信息，使相关从业人员能够迅速掌握反井工艺的核心施工步骤，为后续研发方向的选取和专利布局的决策提供了参考。